基于CANopen協(xié)議的公鐵兩用牽引車運動控制實現(xiàn)

趙大興，趙國棟，許 萬，王 璜

（湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430068）

基于CANopen協(xié)議的公鐵兩用牽引車運動控制實現(xiàn)

趙大興，趙國棟，許 萬，王 璜

（湖北工業(yè)大學 機械工程學院，武漢 430068）

0 引言

隨著我國鐵路運輸業(yè)和城市軌道交通的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的公鐵兩用牽引車難以滿足現(xiàn)場作業(yè)需求[1]。傳統(tǒng)公鐵兩用牽引車的液壓運動控制系統(tǒng)響應速度慢、穩(wěn)定性差、不能實現(xiàn)反饋、運動控制誤差偏大，使得牽引車的動力性能、操作性能、工作效率無法達到要求[2]。

以電能作為驅動的新型公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)[3]，引入在汽車總線網(wǎng)絡中占主導地位的CAN總線[4]，采用廣泛應用于歐洲的工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議CANopen[5]通訊協(xié)議，為實現(xiàn)公鐵兩用牽引車的運動控制提供了可靠性高、實時性強的狀態(tài)獲取和命令下發(fā)通道[6,7]。

分析公鐵兩用牽引車機械結構及主要參數(shù)；設計牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡，完成CANopen協(xié)議通訊初始化設置，包括各CANopen設備節(jié)點ID（Node_ID）和CAN標示符（COB_ID）的分配，通信模型、通信速率、通信對象的設置；分析牽引車的運動速度和轉向角度，得出了牽引車運動控制理論計算公式，包括行走電機頻率與平移速度關系式，轉向電機頻率與轉向速度關系式，橡膠輪轉向角位移誤差計算公式，為牽引車的運動控制提供了理論依據(jù)，使得牽引車的運動速度誤差和轉向角度誤差在允許的范圍之內，保證牽引車運動控制精度，提高了牽引車控制系統(tǒng)的可靠性。

1 牽引車機械結構及主要參數(shù)

公鐵兩用牽引車機械結構如圖1所示，主要包括底盤，車架，控制單元，液壓單元，驅動轉向單元?？刂茊卧绍囕d無線接收器，手持無線遙控器組成。液壓單元由油泵電機，齒輪油泵，電磁換向閥，萬向輪，前導向輪，后導向輪組成。驅動轉向單元由行走電機，減速箱，轉向電機，轉向直齒輪副，橡膠輪組成。

圖1 公鐵兩用牽引車機械結構圖

公鐵兩用牽引車驅動轉向單元三維模型如圖2所示，驅動轉向單元作為整車的執(zhí)行機構，是牽引車的重要組成部分。牽引車機械傳動配置方式為：驅動輪與轉向輪合一，橡膠輪既是驅動輪也是轉向輪。轉向方式為：雙舵輪轉向方式。

牽引車驅動轉向單元主要參數(shù)如表1所示，公鐵兩用牽引車的運動控制本質上是驅動轉向單元的運動控制，驅動轉向單元各部件的主要參數(shù)直接影響著牽引車的運動控制。

圖2 驅動轉向單元三維模型圖

表1 驅動轉向單元主要參數(shù)

2 牽引車運動控制總線網(wǎng)絡設計

2.1 CAN總線網(wǎng)絡拓撲結構

牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡拓撲結構及各CANopen設備節(jié)點ID（Node_ID）分配如圖3所示。CAN總線網(wǎng)絡由兩條信號線CAN_H和CAN_L、兩個120Ω的終端電阻、可編程控制器（ID=30）、左行走電機驅動器（ID=9）、右行走電機驅動器（ID=8）、左轉向電機驅動器（ID=17）、右轉向電機驅動器（ID=16）、左絕對值編碼器（ID=1）、右絕對值編碼器（ID=2）組成。CAN總線通信介質是雙絞線，避免了電磁信號的干擾。由于總線傳輸距離不超過40m，選用的終端電阻為120Ω，消除總線兩端導線上的信號反射，避免信號失真。

2.2 CANopen協(xié)議初始化設置

CANopen協(xié)議通信模型為主從通信模型，可編程控制器（PLC）是CAN總線上唯一的主機，其余設備均為從機。通信速率為250kbit/s，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，且不易受外界電磁干擾。4種通信對象的功能分別為：

圖3 CAN總線網(wǎng)絡拓撲結構及節(jié)點ID分配

1）服務數(shù)據(jù)對象（SDO）：訪問絕對值編碼器對象字典（OD），完成編碼器初始化設置。

2）過程數(shù)據(jù)對象（PDO）：傳輸行走電機、轉向電機頻率的設定值，實時反饋頻率的實際值；實時反饋橡膠輪轉向角度。

3）網(wǎng)絡管理對象（NMT）：可編程控制器（PLC）是唯一的主節(jié)點，管理整個網(wǎng)絡，其余設備均為從節(jié)點。左右絕對值編碼器作為從節(jié)點，以100ms的周期向主節(jié)點發(fā)送心跳報文（Heartbeat）。

4）預定義報文或特殊功能對象：同步對象（SYNC），保證兩橡膠輪驅動和轉向的同步性與協(xié)調性；緊急事件對象（Emergency），顯示各設備內部錯誤。

運動控制總線網(wǎng)絡中各設備均為標準化協(xié)議的CANopen設備，則牽引車運動控制總線CAN標識符（COB_ID）的分配如表2所示。

3 牽引車運動控制分析

3.1 牽引車速度控制

公鐵兩用牽引車運動狀態(tài)包括縱向平移，橫向平移，對角線平移，圓周轉向?？删幊炭刂破鳎≒LC）通過CANopen協(xié)議發(fā)送頻率設定值到總線網(wǎng)絡，左右行走電機驅動器、左右轉向電機驅動器同時接收到報文，同步驅動左右行走電機、左右轉向電機，實現(xiàn)牽引車的平移和轉向。

公鐵兩用牽引車速度控制包括平移速度控制和轉向速度控制，控制方式均為開環(huán)控制。通過改變行走電機和轉向電機的頻率實現(xiàn)平移速度控制和轉向速度控制。行走電機頻率與牽引車平移速度關系式，轉向電機頻率與牽引車轉向速度關系式由以下公式可得。

表2 運動控制總線CAN標識符（COB_ID）分配表

在不考慮三相交流異步電機轉差率的情況下，行走電機轉速：

轉向電機轉速：

聯(lián)立式(1)～式(5)可得行走電機頻率：

聯(lián)立式(6)、式(7)可得轉向電機頻率：

以上式中，v3為橡膠輪平移線速度，m/s；r為橡膠輪半徑，m；3ω為橡膠輪平移角速度，rad/s；d為橡膠輪直徑，m；n3為橡膠輪平移轉速，r/min；i1為行走機構總傳動比；n1為行走電機轉速，r/min；f1為行走電機頻率，Hz；p1為行走電機磁極對數(shù)；n2為轉向電機轉速，r/min；f2為轉向電機頻率，Hz；p2為轉向電機磁極對數(shù)；i2為轉向機構總傳動比；n4為橡膠輪轉向轉速，r/mim。

牽引車在功率一定的情況下，在公路上自由行走時，需要減小牽引力，增加速度，牽引車能運行在高速檔5km/h或者低速檔3km/h；在鐵路上進行牽引作業(yè)時，需要降低速度，增大牽引力，牽引車只能運行在低速檔3km/h。已知行走機構總傳動比i1=22.78，行走電機磁極對數(shù)p1=2，橡膠輪直徑d=406mm，橡膠輪平移線速度v3=3km/h或5km/h，分別代入式(8)可得行走電機頻率f1=29.78Hz或49.64Hz。最終設定行走電機低速頻率f1=30Hz，高速頻率f1=50Hz，由式(5)可得行走電機低速轉速n1=900r/min，高速轉速n1=1500r/min。

為保證橡膠輪轉向角度的精度，牽引車轉向速度設定為3r/min。已知轉向電機磁極對數(shù)p2=2，轉向機構總傳動比i2=305.27，橡膠輪轉向轉速n4=3r/min，代入式(9)可得轉向電機頻率f2=30.5Hz。最終設定轉向電機頻率f2=30Hz，由公式(6)可得轉向電機轉速n2=900r/min。

3.2 牽引車轉向角度控制

公鐵兩用牽引車轉向角度控制主要是橡膠輪轉向角度控制，控制方式為開環(huán)控制，同時絕對值編碼器安裝在轉向電機尾端的輸出軸上，實時跟蹤橡膠輪的轉向角度。根據(jù)設定角度，設置相應的減速點，當橡膠輪轉到減速點時，轉向電機驅動器的輸入頻率降低，完全釋放轉向電機的加速器，轉向電機的轉速開始降低，最終使得橡膠輪轉到設定角度。

橡膠輪轉向軌跡如圖4所示，A為右轉極限點也是編碼器零點，B為右轉極限減速點，C為右轉調直減速點，D為調直復位點也是機械零點，E為左轉調直減速點，F(xiàn)為左轉極限減速點，G為左轉極限點。其中AB=CD=DE=FG。橡膠輪轉到A點、G點和D點時，牽引車實現(xiàn)橫向平移和調直復位功能。

圖4 橡膠輪轉向軌跡

假設未設置減速點，因延時誤差的存在，最終橡膠輪會轉過設定點而產生誤差，其中產生的角位移誤差即為減速點與設定點之間的角位移。橡膠輪角位移誤差包括編碼器反饋延時角位移誤差和轉向電機減速延時角位移誤差，由以下公式計算可得。

聯(lián)立式(10)～式(16)可得橡膠輪角位移誤差：

以上式中，ω2為轉向電機角速度，rad/s；n2為轉向電機轉速，r/min； 為編碼器反饋延時角位移，rad；t1為編碼器反饋延遲時間，s；a為轉向電機減角速度，rad/s2；ωt為轉向電機末角速度，rad/s；為轉向電機末轉速，r/min；t2為轉向電機減速延遲時間，s；?θ2為轉向電機減速延時角位移，rad；?θ3為轉向電機角位移，rad；?θ為橡膠輪角位移誤差，rad；i2為轉向機構總傳動比。已知編碼器反饋延遲時間t1=0.1023s，轉向電機減速延遲時間t2=0.75s，轉向電機轉速n2=900r/min，轉向電機末轉速nt=0r/min，代入公式(17)可得橡膠輪角位移誤差?θ=0.04π=7.2°，即AB=CD=DE=FG=0.04，則A點設為0°，B點設為7.2°，C點設為82.8°，D點設為90°，E點設為97.2°，F(xiàn)點設為172.8°，G點設為180°。

4 測試結果分析

在公路模式空載狀態(tài)下，牽引車運動控制總線監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖5所示。圖5(a)將編碼器零點與機械零點的偏差值保存在右絕對值編碼器中,編碼器進入運行狀態(tài)。圖5(b)橡膠輪調直復位，牽引車以實際速度2.97km/h平移前進。

圖5 牽引車運動控制總線數(shù)據(jù)監(jiān)控

牽引車速度控制實際值與理論值如表3所示，左右行走電機實際速度相同，左右轉向電機實際速度相同，保證左右橡膠輪運動控制的同步性與協(xié)調性；由于三相交流異步電機轉差率的存在，行走電機和轉向電機的實際反饋速度比理論設定速度降低了1.6%，速度誤差在允許范圍之內，保證牽引車的運動速度控制精度。

牽引車轉向控制實際值與理論值如表4所示。左右橡膠輪之間的相對位置誤差小于0.5°，左右橡膠輪轉向的理論設定位置與實際位置之間的平均誤差為0.95°，誤差主要由左右驅動轉向機構的安裝精度和控制系統(tǒng)延時滯后所引起。左右兩輪相對位置誤差，理論位置與實際位置誤差均在允許范圍之內，保證牽引車的轉向角度控制精度。

表4 牽引車轉向控制實際值與理論值

5 結論

分析公鐵兩用牽引車的機械結構及主要參數(shù)；設計牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡，完成了CANopen協(xié)議通訊的初始化設置，為實現(xiàn)公鐵兩用牽引車的運動控制提供了可靠性高、實時性強的狀態(tài)獲取和命令下發(fā)通道；分析牽引車的運動速度和轉向角度，得出了牽引車運動控制理論計算公式，為牽引車的運動控制提供了理論依據(jù)。測試結果表明，CANopen協(xié)議正常通訊，實現(xiàn)了公鐵兩用牽引車所需的運動狀態(tài)，牽引車的運動速度誤差和轉向角度誤差在允許的范圍之內，保證了公鐵兩用牽引車的運動控制精度，實現(xiàn)了牽引車控制系統(tǒng)的運動控制。

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[2]侯廣慧.GQ045型公鐵兩用牽引車液壓傳動及控制設計[J].液壓與氣動,2014,(4):25-27.

[3]余小波,左永博.新型蓄電池公鐵兩用車概述[J].裝備制造技術,2013,(4):129-130.

[4]韓成浩,高曉紅.CAN總線技術及其應用[J].制造業(yè)自動化,2010,33(2):146-149.

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Motion control implementation of electric road/rail tractor based on CANopen protocol

ZHAO Da-xing, ZHAO Guo-dong, XU Wan, WANG Huang

運動控制單元是電動公鐵兩用牽引車控制系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)主控制器采用CANopen協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊，為實現(xiàn)公鐵兩用牽引車的運動控制提供了可靠性高、實時性強的狀態(tài)獲取和命令下發(fā)通道。分析公鐵兩用牽引車機械結構及主要參數(shù)；設計牽引車運動控制CAN總線網(wǎng)絡，完成CANopen協(xié)議初始化設置；分析牽引車的運動速度和轉向角度，得出牽引車運動控制理論計算公式，為牽引車的運動控制提供了理論依據(jù)。測試結果表明，CANopen協(xié)議正常通訊，實現(xiàn)了公鐵兩用牽引車所需的運動狀態(tài)。牽引車的運動速度誤差和轉向角度誤差均在允許的范圍之內，保證了公鐵兩用牽引車的運動控制精度。

公鐵兩用牽引車；CAN總線；CANopen協(xié)議；運動控制

趙大興（1962 -），男，教授，博士，主要從事機械設計和機器視覺方向的研究。

TP273

A

1009-0134(2015)12(上)-0135-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.23.40

2015-09-18

國家自然科學基金（51405144）；湖北省自然科學基金面上項目（2014CF598）；湖北省科技支撐計劃（2014BAA006）